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雙碳目標(biāo)及其實(shí)現(xiàn)途徑
習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上指出，中國(guó)將努力實(shí)現(xiàn)2030之前的二氧化碳排放碳達(dá)峰，即2060之前的碳中和?！疤歼_(dá)峰”意味著二氧化碳在某一點(diǎn)達(dá)到峰值，不再增加，然后逐漸回落?！疤贾泻汀笔侵钙髽I(yè)、團(tuán)體或個(gè)人在一定時(shí)期內(nèi)，通過植樹造林、節(jié)能減排，直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量，為了抵消自身的二氧化碳排放量，實(shí)現(xiàn)二氧化碳的“零排放”。
實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)有兩種途徑，即減少二氧化碳排放和增加碳匯。固碳主要來自森林、草原等自然生態(tài)系統(tǒng)，以及碳捕獲與封存（CCS）、碳捕獲、封存與利用（CCUs）等人工除碳技術(shù)，這就要求我們完善森林、草原、濕地等生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，提高固碳能力和質(zhì)量。在二氧化碳排放方面，中國(guó)主要以能源碳排放為主。從圖1可以看出，我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)顯示，碳基化石能源占能源消費(fèi)總量的84.7%。顯然，在減排方面，我們需要節(jié)能降耗，降低能源消費(fèi)總量，進(jìn)而減少能源系統(tǒng)的碳排放；調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，減少化石能源消費(fèi)，提高太陽能、風(fēng)能、核能、地?zé)崮艿确腔茉吹谋戎?。也就是說，能源的生產(chǎn)和消費(fèi)應(yīng)該走綠色低碳之路。氫能將在這條道路上發(fā)揮重要作用。
氫能系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)碳目標(biāo)的雙重化
氫能的優(yōu)點(diǎn)：氫能是氫（H）在物理化學(xué)變化過程中釋放的能量。清潔能源：氫氣燃燒的產(chǎn)物僅為水，不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體或粉塵顆粒等對(duì)環(huán)境有害的污染物。用氫氣代替化石燃料可以最大限度地減少溫室效應(yīng)。它來源廣泛，生產(chǎn)方便：產(chǎn)品水還可以電解制氫，作為分布式能源供能。熱值高：除核燃料外，在化石燃料和化學(xué)燃料中，氫的熱值最高，容易燃燒。此外，氫可以轉(zhuǎn)化成各種能源。
氫能將在我國(guó)碳中和路徑中發(fā)揮重要作用：如圖2所示，氫能產(chǎn)業(yè)鏈、制氫環(huán)節(jié)：氫能的利用可以實(shí)現(xiàn)可再生能源的大規(guī)模高效消費(fèi)；氫能儲(chǔ)運(yùn)：氫能可在不同行業(yè)和地區(qū)間重新分配；作為能量緩沖載體，提高能量系統(tǒng)的韌性；氫能應(yīng)用環(huán)節(jié)：減少運(yùn)輸過程中的碳排放；減少工業(yè)能源使用領(lǐng)域的碳排放。氫能將清潔能源結(jié)構(gòu)與電氣化聯(lián)系起來。它利用水、風(fēng)、光等可再生能源產(chǎn)生的剩余電力生產(chǎn)氫氣。也就是說，剩余的電力儲(chǔ)存在氫氣中。當(dāng)有需求缺口時(shí)，采用燃料電池發(fā)電來滿足電力供應(yīng)的需求，或?qū)a(chǎn)生的氫氣用于工業(yè)和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，以避免棄風(fēng)，水電廢棄光電造成的能源浪費(fèi)，可以最大限度地跨地區(qū)、跨季節(jié)利用可再生能源，減少碳排放。然而，氫能儲(chǔ)運(yùn)的關(guān)鍵技術(shù)是制約氫能經(jīng)濟(jì)性的瓶頸技術(shù)。氫具有很強(qiáng)的擴(kuò)散能力，易燃易爆。氫和金屬的結(jié)合容易導(dǎo)致氫脆和難以儲(chǔ)存。因此，妥善解決氫能儲(chǔ)運(yùn)問題是氫能安全高效利用的必要前提，也是降低整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
氫能應(yīng)用的核心——燃料電池
目前，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）是燃料電池的主要研究領(lǐng)域。這里只討論SOFC。如圖3a所示，固體氧化物燃料電池組由連接器和多個(gè)單體電池組成。SOFC單電池主要由三部分組成：陰極、陽極和氧離子導(dǎo)電電解質(zhì)。在陰極，O2（來自空氣）被還原，產(chǎn)生的O2-離子通過電解液被輸送到陽極，在那里它們與氫或碳?xì)淙剂戏磻?yīng)生成熱量、H2O和（碳?xì)淙剂希〤O2，并將電子e-釋放到外部電路以進(jìn)行工作。
如圖3B所示，多個(gè)SOFC單電池（10× 10 cm2）通過連接器串聯(lián)，連接器在單個(gè)電池之間提供電接觸和氣體通道。由此產(chǎn)生的“棧”被安排在串聯(lián)和并聯(lián)配置，以提供所需的電壓和功率輸出。不同規(guī)格的電堆可用于便攜式發(fā)電或分布式發(fā)電以及交通、民用和軍用的大規(guī)模發(fā)電，以避免或減少碳基化石能源的使用，減少碳排放。而SOFC要解決的主要問題是改善陰極氧還原的orr反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，降低極化損耗，將反應(yīng)溫度降低到500～800℃℃ 在中低溫地區(qū)。
氫能應(yīng)用，家用熱電聯(lián)產(chǎn)裝置
如下圖2所示，氫燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置利用燃料電池中氫能產(chǎn)生的余熱進(jìn)行回收，從而實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電力資源的更大利用，大大減少了電力資源的浪費(fèi)，降低煤炭能源的消耗，實(shí)現(xiàn)更高效的能源利用，促進(jìn)環(huán)境友好，提高能源利用率。
氫氣作為一種無碳、清潔、高效的能源形式，在促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變方面發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，從制氫到氫能應(yīng)用是一條復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)鏈。要實(shí)現(xiàn)氫能的發(fā)展，必須降低氫能產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的成本。
如前所述，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整是實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰的重要途徑：控制煤炭、石油等化石能源消費(fèi)比重，提高可再生能源、氫能等清潔能源消費(fèi)比重，上游以光伏、風(fēng)電、水電為主的可再生能源充足，下游可吸收可再生能源的氫能產(chǎn)業(yè)。這樣，可再生能源和氫能的發(fā)展將成為我國(guó)碳達(dá)峰和碳中和的催化劑。但是，單一的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整不足以實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，碳匯收入還需要增加，如發(fā)展碳捕獲、固碳技術(shù)和建設(shè)森林草原等自然生態(tài)系統(tǒng)。
